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* * * 3.2.2 理论基础 多普勒效应的实质是:当两个物体如辐射源和接收机之间存在相对运动时,接收机收到的信号频率,将与辐射源所发射的信号频率不同,两者之间相差一个多普勒频移fd,而频移量fd的大小与辐射源和接收机之间的相对径向运动速度成正比。 奥地利物理学家多普勒(1803——1853) * 1. 辐射源朝向接收点作径向运动 d d A B u t τ 发A 发A 收A t T1 Δt A B A t1 t2 T1 T2 Tl=t1+d/c Δt=t2-t1 * 在Δt的时间间隔内,发射机辐射出去的振荡波的周期数目为nt,并令t0表示振荡信号的周期 置于B点的接收机在ΔT=T2-T1的时间间隔内接收了这nt个振荡周期的信号,因此接收机所接收到的振荡信号的频率fτ应为 B点的接收机接收到的信号频率,与发射机的振荡信号频率f0不同,二者信号频率之差,即为多普勒频率fd 因为vc 可简化为 * 2. 辐射源朝着偏离于接收点的方向上运动 径向速度vr与辐射源运动速度v: 用μ的余角来表示: 带入多普勒频率fd: 当运动速度、工作波长不变时,多普勒频移fd随方位角θ成正弦函数关系变化。测量出多普勒频移量fd,就能确定出接收机相对于辐射源运动方向的方位角θ(或偏流角μ),这即是利用多普勒效应进行测角(偏流角)的基本原理。 * fd随方位角θ变化曲线示意图 多普勒频移的圆锥形位置面示意图 * * 3. B点为反射点、辐射源与接收点皆处于A点并沿AB连线径向运动 发射机发射的信号频率为f0,则到达地面反射点B处的信号振荡频率为fb 把B看作频率为fb的辐射源,其辐射的信号被置于接收机(A点)所接收,运载体是向着B点运动,在A点接收到的信号频率为 泰勒级数展开 vrc,忽略高次项 * 4. 运载体的地速及偏流角测量 径向速度vr 在运载体运动速度方向与其轴向重合的情况下,角度Γ实际上是运载体轴向与天线射束中心方向的夹角,所以Γ为已知数。 在测得fd之后,就可容易地计算出地速v了,即运载体相对于地面的航行速度。 * 角度βa是ACB平面内运动速度矢量v和天线射束中心线之间的夹角。上式表明,多普勒频率是地速v和偏流角μ的函数。利用这一函数关系,通过测量fd,在已知地速或测量出地速的条件下,即可求出偏流角。 由于风力的影响,运载体的轴线方向与航行方向不可能再保持一致,即出现了偏流角μ cosβa=cosΓcosμ * 3.2.3 工作原理 * 一、 双波束系统:1.前-后型 速度在前向波束平面和后向波束平面的投影为 前后两个波束多普勒频率之差为 设发射机工作频率为f0,波长为λ0,则在前后波束上测得的多普勒频率为 * 前后两个波束多普勒频率之差为 若天线安装平台采用垂向基准进行稳定,则δ很小的,可以忽略 若天线固定在飞机上,则此时的δ角实际上是飞机的俯仰角p,它不能忽略,将得到飞机在纵轴方向的速度,即 多普勒雷达实际是在飞机载体坐标系中测量和工作的,因此需要航姿系统进行辅助。 * 2. 左-右型 设双波束所在平面与安装平台面的夹角为Γ,则左右波束上所测得的多普勒频率为 i为波束面与水平面之间的夹角 多普勒频差: * 二、多波束系统 前后、左右波束配置都可测地速或偏流角,但前后波束测偏流角的精度约为6%,而左右波束可达1%。 飞机在垂直方向上有相对运动,要求出地速,就得知道垂直速度分量以消除多普勒频移中这一分量的影响;当飞机姿态变化时,还要求提供机上的本地垂直基准,以补偿波束角度的实际变化,这些都是双波束系统无法解决的。 空间是三维的,要确定载体速度的三个分量至少需要三个波束,典型的多普勒系统都是左右侧、前后指向的三波束、四波束等多波束系统。 * 二、 多波束系统 扩展的多波束系统不仅能够有效地导出三个速度分量,而且能对飞机的姿态变化进行补偿。 波束的配置型式各种各样,主要有Y、λ、T、X、Ψ五种基本配置 * 1)三波束系统波束的配置型式 典型的应用是俯角为60°~70°,侧角20°,这样可以得到28°~36°的入射角 * 2. 四波束系统 大多数现代多普勒导航仪都使用四波束系统: 平面阵列天线可以比较容易地产生出四个相同的波束; 四个波束中某一个出现问题时,其他三个波束仍然可以保障系统能够连续工作,提高了系统的可用性; 四个波束取三个的组合可以获得两套不相关的速度估值,进行平均就可得到更精确的数值,从而实现冗余观测,提高系统精度; 在系统正常工作的条件下,这两套估值之间的差异应该很小,若差异很大,那么可判定系统出现了故障,数据不可用,增加了对系统可靠性的判断。 * 每个波束的单位方向矢量 I:单位方向矢量 每个波束的多普勒频移 * 得到相对载体坐标系的速度之后,需要先绕飞机的纵轴旋
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